CN112596168B - 基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法及装置 - Google Patents

基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法，包括如下步骤：步骤10：提供一环形螺旋光纤光栅谐振器，所述环形螺旋光纤光栅谐振器包括表面刻写有周期性螺旋光栅的螺旋光纤光栅，所述螺旋光纤光栅的两端焊接在一起形成环形波导结构；步骤20：将激光光束沿切线方向耦合进所述环形螺旋光纤光栅谐振器中，当激光光束从所述周期性螺旋光栅处辐射至空间时被转换为涡旋光束。该涡旋光束产生方法可向自由空间中产生涡旋光束，且可同时产生低阶轨道角动量的涡旋光束和高阶轨道角动量的涡旋光束。本发明还公开了一种基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生装置。

Description

基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法及装置
技术领域
本发明涉及涡旋光束产生技术，尤其涉及一种基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法及装置。
背景技术
涡旋光束是一种具有螺旋相位波前，带有轨道角动量（OAM），能够携带不同拓扑电荷数的光束。携带不同拓扑电荷数的涡旋光束是相互正交的，因此，涡旋光束可以在光纤通信装置中进行模分复用，能够极大地提高光通信装置的容量。现有的涡旋光束产生方法有模式转换法、螺旋相位法和计算全息法。
模式转换法：由柱面镜构成非轴对称光学装置，输入不含轨道角动量的厄米-高斯光束，通过两个柱面透镜构成的模式转换器，就可以将其转化为拉盖尔-高斯光束。只需要在厄米高斯光束基础上引入一个随方位角变化的相位因子，就可以将厄米-高斯光束变成具有轨道角动量的涡旋光束。利用模式转换法的转换效率高，但是转换过程中的光学装置结构相对比较复杂，装置中用到的关键光学器件加工制备比较困难，而且不易控制所产生的涡旋光束种类和参数，这使得其应用场合受到了限制。
螺旋相位板法：螺旋相位板是一种厚度与相对于板中心的旋转方位角成一次函数关系的透明板，表面结构类似于一个旋转台。当光束通过螺旋相位板时，由于相位板的螺旋形表面使透射光束光程的改变量不同，使透射光束相位的改变量也不同，继而能够产生一个具有螺旋特征的相位因子。螺旋相位板法产生涡旋光束的转换效率高，但该方法产生的光学涡旋的拓扑荷数并不唯一，而且对于某一相位板，使用特定模式的激光只能是特定的输出，不能灵活控制涡旋光束的种类和具体参数，而且高质量的相位板制备也比较困难。
计算全息法：计算全息法是依据光的干涉和衍射原理，利用计算机编程实现目标光与参考光的干涉图样，得到涡旋光束。该方法主要可以利用计算全息图和空间光调制器来实现。计算全息图是将叉形光栅制成底片，直接让高斯平面波通过此叉形光栅即可。空间光调制器法是将叉形光栅加载到空间光调制器上，让高斯平面波直接入射到空间光调制器上即可。但是因需要入射到全息图中心，则光路要求严格。
当然，现有技术中也有在光纤中产生涡旋光束的方法，但是光纤中产生的涡旋光束只有一个阶数的轨道角动量，无法同时产生低阶轨道角动量的涡旋光束和高阶轨道角动量的涡旋光束。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法及装置，可向自由空间中产生涡旋光束，且可同时产生低阶轨道角动量的涡旋光束和高阶轨道角动量的涡旋光束。
本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：
一种基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法，包括如下步骤：
步骤10：提供一环形螺旋光纤光栅谐振器，所述环形螺旋光纤光栅谐振器包括表面刻写有周期性螺旋光栅的螺旋光纤光栅，所述螺旋光纤光栅的两端焊接在一起形成环形波导结构；
步骤20：将激光光束沿切线方向耦合进所述环形螺旋光纤光栅谐振器中，当激光光束从所述周期性螺旋光栅处辐射至空间时被转换为涡旋光束。
一种基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生装置，包括
可调谐激光器，用于发射激光光束；
环形螺旋光纤光栅谐振器，包括表面刻写有周期性螺旋光栅的螺旋光纤光栅，所述螺旋光纤光栅的两端焊接在一起形成环形波导结构，用于所将其内部的激光光束从所述周期性螺旋光栅处辐射至空间中并转化为涡旋光束；
耦合模块，用于将所述可调谐激光器发射的激光光束沿切线方向耦合进所述环形螺旋光纤光栅谐振器中。
本发明具有如下有益效果：该涡旋光束产生方法及装置将回音壁模式（WGM）与自由空间传播的OAM模式耦合，通过在谐振器上嵌入角光栅的方式，使得激光光束向空间辐射时产生倾斜的波导平面，并使波导平面发生旋转而形成螺旋光束，与现有的模式转换法、螺旋相位板法、计算全息法等相比，结构简单，不需要昂贵的设备和复杂的光路，极大地节约了设备成本、简化了加工工艺，只需要通过改变所述螺旋光纤光栅和环形波导结构的加工参数就能够形成不同模式、种类和参数的涡旋光束，且控制所述环形波导结构的大小就可以改变涡旋光束的种类和具体参数，可以实现对微观粒子的亚接触、无损伤的操纵，用作光镊或光学扳手等等，同时在射频以及量子保密通信等领域也具有重要的潜在应用价值，而且由于器件的尺寸很小，可以实现大规模集成，以应用于未来的“光纤实验室”，在光纤通信及量子通信领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的涡旋光束产生方法的步骤框图；
图2为本发明提供的环形螺旋光纤光栅谐振器制备方法的步骤框图；
图3为本发明提供的将激光光束转化为涡旋光束的步骤框图；
图4为本发明提供的涡旋光束产生装置的原理框图；
图5为本发明提供的环形螺旋光纤光栅谐振器的示意图；
图6为本发明提供的螺旋光纤光栅的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
如图1所示，一种基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法，包括如下步骤：
步骤10：提供如图5所示的一环形螺旋光纤光栅谐振器1，所述环形螺旋光纤光栅谐振器1包括表面刻写有周期性螺旋光栅101的螺旋光纤光栅100，所述螺旋光纤光栅100的两端焊接在一起形成环形波导结构。
在该步骤10中，所述环形螺旋光纤光栅谐振器1形成的环形波导结构相当于一回音壁模式微腔，可使将其内部的光束约束在该环形波导结构内，当光束在该环形波导结构的几何边界上行走一圈的光程满足其波长的整数倍时可产生干涉加强现象，即共振现象。
在该步骤10之前，还包括制备所述环形螺旋光纤光栅谐振器1，其中，如图2所示，所述环形螺旋光纤光栅谐振器1的制备方法包括如下步骤：
步骤01：将一光纤上待加工部分的表面涂覆层去掉，露出内部结构。
在该步骤01中，所述光纤包括纤芯、包层和涂覆层，所述纤芯为高折射率玻璃芯，芯径一般为5-75μm；所述包层为低折射率硅玻璃层，覆盖包裹于所述纤芯的表面上，直径一般为100-200μm；所述涂覆层一般为硅酮或丙烯酸盐，用于隔绝杂光，覆盖包裹于所述包层的表面上；当光束在所述纤芯中传播时，由于所述纤芯与包层之间的折射比，光束在所述纤芯与包层的交接处会发生全反射现象而始终被困在所述纤芯中。去掉所述涂覆层后，待加工部分露出的内部结构为纤芯包层结构，即包裹住纤芯的包层。
本实施例中，所述光纤为普通的单模光纤。
步骤02：对所述光纤中待加工部分的内部结构进行加热，使之熔融。
在该步骤02中，可通过火焰加热、电加热或激光加热等方式对所述光纤中待加工部分的内部结构进行加热，使之受热熔融而变软。
步骤03：将所述光纤沿其轴线方向拉细，使之形成微纳光纤，同时将所述光纤绕其轴线方向旋转，使之形成周期性螺纹表面，得到如图6所示的螺旋光纤光栅100，该周期性螺纹表面即为所述周期性螺旋光栅101。
在该步骤03中，可将受热熔融的光纤放置于一电动位移平台上，所述电动位移平台上设置有分别用于夹取所述光纤两端的第一夹手和第二夹手，其中所述第一夹手在平台上固定不动，所述第二夹手连接有一平移电机和旋转电机，所述平移电机用于驱动所述第二夹手沿所述光纤的轴线方向平移，所述旋转电机用于驱动所述第二夹手绕所述光纤的轴线方向旋转，以将所述光纤拉细形成微纳光纤并旋转形成周期性螺纹表面。制成的涡旋光束的周期与所述周期性螺旋光栅101的周期相关，而所述周期性螺旋光栅101的周期又与所述旋转电机的旋转速度相关，因此可根据所需的涡旋光束的周期来设定所述旋转电机的旋转速度。
本实施例中，所述螺旋光纤光栅100为（包层）直径5μm的微纳光纤，所述周期性螺旋光栅101的周期为500nm。
步骤04：取适当长度的螺旋光纤光栅100，并将所述螺旋光纤光栅100的两端焊接在一起形成环形波导结构。
在该步骤04中，所述螺旋光纤光栅100的两端可通过CO2激光器2焊接在一起；制成的涡旋光束的阶数由所述螺旋光纤光栅100的长度和周期数决定，因此可根据所需的涡旋光束的阶数以及所述螺旋光纤光栅100的周期来选取所述螺旋光纤光栅100的长度和周期数。
本实施例中，选取的螺旋光纤光栅100的长度为50μm。
步骤20：将激光光束沿切线方向耦合进所述环形螺旋光纤光栅谐振器1中，当激光光束从所述周期性螺旋光栅101处辐射至空间时被转换为涡旋光束。
在该步骤20中，激光光束耦合进所述环形螺旋光纤光栅谐振器1内后，由于所述周期性螺旋光栅101破坏了所述光纤中纤芯与包层之间形成全反射的折射比，一部分激光光束会从所述周期性螺旋光栅101处以一个角度辐射到空间中，辐射出来的激光光束的波前是一个具有倾角的平面，同时由于所述周期性螺旋光栅101被弯曲成一个环，激光光束在所述环形螺旋光纤光栅谐振器1中形成回音壁模式，回音壁模式使得辐射出去的激光光束的波前在倾角方向发生上偏斜并转变成螺旋，形成了携带轨道角动量的激光光束，即涡旋光束；当激光光束在所述周期性螺旋光栅101的不同波长处满足条件而向空间辐射时，可形成不同阶数的涡旋光束。
具体的，如图3所示，该步骤20包括如下步骤：
步骤201：发射激光光束。
在该步骤201中，如图4所示，可通过一调谐激光器2来发射预定（系列）波长的激光光束。
步骤202：将激光光束分为第一激光光束和第二激光光束。
在该步骤202中，如图4所示，可通过一分光模块3来将激光光束分为第一激光光束和第二激光光束。本实施例中，所述分光模块3为3dB耦合器。
步骤203：分别对第一激光光束和第二激光光束进行衰减处理。
在该步骤203中，如图4所示，可通过第一衰减模块4和第二衰减模块8来分别对第一激光光束和第二激光光束进行衰减处理。本实施例中，所述第一衰减模块4和第二衰减模块8均为衰减器。
步骤204：将经过衰减的第一激光光束耦合进所述环形螺旋光纤光栅谐振器1中，使之在所述螺旋光纤光栅100谐振器1内转换为涡旋光束并从所述周期性螺旋光栅101处辐射出来，将经过衰减的第二激光光束进行准直处理。
在该步骤204中，如图4所示，可通过一耦合模块5将第一激光光束耦合进所述环形螺旋光纤光栅谐振器1中，以及通过一准直模块9将第二激光光束进行准直处理。本实施例中，所述耦合模块5为微纳光纤耦合器。
步骤205：将辐射出来的涡旋光束聚焦处理，然后与第二激光光束合成在一起形成干涉。
在该步骤205中，如图4所示，可通过一聚焦模块7来对涡旋光束进行聚焦，然后通过一合光模块10将涡旋光束和第二激光光束合成在一起形成干涉。本实施例中，所述聚焦模块7为聚焦物镜，所述合光模块10为分束器。
步骤206：采集合成在一起的涡旋光束和第二激光光束，得到涡旋光束和第二激光光束的干涉条纹图像。
在该步骤206中，如图4所示，可通过一CCD相机11来采集合成在一起的涡旋光束和第二激光光束的干涉条纹图像，技术人员通过观察所述干涉条纹图像上的干涉条纹即可判断出是否产生了涡旋光束。
如图4所示，一种涡旋光束产生装置，用于实现上述涡旋光束产生方法。该涡旋光束产生装置包括可调谐激光器2、分光模块3、第一衰减模块4、第二衰减模块8、准直模块9、耦合模块5、环形螺旋光纤光栅谐振器1、聚焦模块7、合光模块10和CCD相机11；其中，所述可调谐激光器2的出光端连接于所述分光模块3的入光端，所述分光模块3的第一出光端连接于所述第一衰减模块4的入光端，所述分光模块3的第二出光端连接于所述第二衰减模块8的入光端；所述第一衰减模块4的出光端连接于所述耦合模块5的入光端，所述耦合模块5沿切线方向连接于所述环形螺旋光纤光栅谐振器1的侧面，所述环形螺旋光纤光栅谐振器1与所述耦合模块5相对的另一面朝向所述聚焦模块7的入光端，所述聚焦模块7的出光端朝向所述合光模块10的第一入光端；所述第二衰减模块8的出光端连接于所述准直模块9的入光端，所述准直模块9的出光端朝向所述合光模块10的第二入光端；所述合光模块10的出光端朝向所述CCD相机11的感光面。
所述可调谐激光器2用于预定（系列）波长的激光光束，所述分光模块3用于将所述可调谐激光器2发射的激光光束分为第一激光光束和第二激光光束，所述第一衰减模块4用于对第一激光光束衰减处理后，所述耦合模块5用于将经过衰减处理的第一激光光束沿切线方向耦合进所述环形螺旋光纤光栅谐振器1内，所述环形螺旋光纤光栅谐振器1用于将其内部的激光光束转化为涡旋光束并从所述周期性螺旋光栅101处辐射至空间中，所述聚焦模块7用于对辐射出来的涡旋光束进行聚焦处理，所述第二衰减模块8用于对第二激光光束进行衰减，所述准直模块9用于对经过衰减处理的第二激光光束进行准直处理，所述合光模块10用于将经过聚焦处理的涡旋光束与经过准直处理的第二激光光束合成在一起形成干涉，所述CCD相机11用于采集合成在一起的涡旋光束与第二激光光束，以得到涡旋光束与第二激光光束的干涉条纹图像。
最终，技术人员通过干涉条纹图像上的干涉条纹就可以判断是否产生有涡旋光束。
本实施例中，所述合光模块10为3dB耦合器，所述第一衰减模块4和第二衰减模块8均为衰减器，所述耦合模块5为微纳光纤耦合器，所述聚焦模块7为聚焦物镜，所述准直模块9为准直器，所述合光模块10为分束器。
该环形螺旋光纤光栅谐振器1、涡旋光束产生方法及装置将回音壁模式（WGM）与自由空间传播的OAM模式耦合，通过在谐振器上嵌入角光栅的方式，使得激光光束向空间辐射时产生倾斜的波导平面，并使波导平面发生旋转而形成螺旋光束，与现有的模式转换法、螺旋相位板法、计算全息法等相比，结构简单，不需要昂贵的设备和复杂的光路，极大地节约了设备成本、简化了加工工艺，只需要通过改变所述螺旋光纤光栅100和环形波导结构的加工参数就能够形成不同模式、种类和参数的涡旋光束，且控制所述环形波导结构的大小就可以改变涡旋光束的种类和具体参数，可以实现对微观粒子的亚接触、无损伤的操纵，用作光镊或光学扳手等等，同时在射频以及量子保密通信等领域也具有重要的潜在应用价值，而且由于器件的尺寸很小，可以实现大规模集成，以应用于未来的“光纤实验室”，在光纤通信及量子通信领域具有良好的应用前景。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤10：提供一环形螺旋光纤光栅谐振器，所述环形螺旋光纤光栅谐振器包括表面刻写有周期性螺旋光栅的螺旋光纤光栅，所述螺旋光纤光栅的两端焊接在一起形成环形波导结构；
步骤20：将激光光束沿切线方向耦合进所述环形螺旋光纤光栅谐振器中，当激光光束从所述周期性螺旋光栅处辐射至空间时被转换为涡旋光束。
2.根据权利要求1所述的基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法，其特征在于，所述环形螺旋光纤光栅谐振器的制备方法包括如下步骤：
步骤01：将一光纤上待加工部分的表面涂覆层去掉，露出内部结构；
步骤02：对所述光纤中待加工部分的内部结构进行加热，使之熔融；
步骤03：将所述光纤绕其轴线方向旋转，使之形成周期性螺纹表面，得到所述螺旋光纤光栅，该周期性螺纹表面即为所述周期性螺旋光栅；
步骤04：取适当长度的螺旋光纤光栅，并将所述螺旋光纤光栅的两端焊接在一起形成环形波导结构，得到所述环形螺旋光纤光栅谐振器。
3.根据权利要求2所述的基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法，其特征在于，在步骤03中，将受热熔融的光纤放置于一电动位移平台上，所述电动位移平台上设置有分别用于夹取所述光纤两端的第一夹手和第二夹手，其中所述第一夹手在平台上固定不动，所述第二夹手连接有一旋转电机，所述旋转电机用于驱动所述第二夹手绕所述光纤的轴线方向旋转，以将所述光纤旋转形成周期性螺纹表面；根据所需的涡旋光束的周期来设定所述旋转电机的旋转速度。
4.根据权利要求2所述的基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法，其特征在于，在步骤03中，同时将所述光纤沿其轴线方向拉细，使之形成微纳光纤。
5.根据权利要求2所述的基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法，其特征在于，在步骤04中，根据所需的涡旋光束的阶数以及所述螺旋光纤光栅的周期来选取所述螺旋光纤光栅的长度和周期数。
6.根据权利要求1所述的基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生方法，其特征在于，步骤20包括如下步骤：
步骤201：发射激光光束；
步骤202：将激光光束分为第一激光光束和第二激光光束；
步骤203：分别对第一激光光束和第二激光光束进行衰减处理；
步骤204：将经过衰减的第一激光光束耦合进所述环形螺旋光纤光栅谐振器中，使之在所述螺旋光纤光栅谐振器内转换为涡旋光束并从所述周期性螺旋光栅处辐射出来，将经过衰减的第二激光光束进行准直处理；
步骤205：将辐射出来的涡旋光束聚焦处理，然后与第二激光光束合成在一起形成干涉；
步骤206：采集合成在一起的涡旋光束和第二激光光束，得到涡旋光束和第二激光光束的干涉条纹图像。
7.一种基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生装置，其特征在于，包括
可调谐激光器，用于发射激光光束；
环形螺旋光纤光栅谐振器，包括表面刻写有周期性螺旋光栅的螺旋光纤光栅，所述螺旋光纤光栅的两端焊接在一起形成环形波导结构，用于所将其内部的激光光束从所述周期性螺旋光栅处辐射至空间中并转化为涡旋光束；
耦合模块，用于将所述可调谐激光器发射的激光光束沿切线方向耦合进所述环形螺旋光纤光栅谐振器中；
分光模块，用于将所述可调谐激光器发射的激光光束分为第一激光光束和第二激光光束，其中第一激光光束用于产生涡旋光束；
合光模块，用于将所述环形螺旋光纤光栅谐振器辐射出来的涡旋光束与第二激光光束合成在一起形成干涉；
CCD相机，用于采集合成在一起的涡旋光束和第二激光光束，以得到涡旋光束和第二激光光束的干涉条纹图像；
第一衰减模块，用于在第一激光光束进入所述耦合模块之前，对第一激光光束进行衰减处理；
第二衰减模块，用于在第二激光光束进入所述合光模块之前，对第二激光光束进行衰减处理。
8.根据权利要求7所述的基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生装置，其特征在于，还包括
准直模块，用于在第二激光光束进入所述合光模块之前，对第二激光光束进行准直处理；
聚焦模块，用于在涡旋光束进入所述合光模块之前，对涡旋光束进行聚焦处理。
9.根据权利要求7所述的基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生装置，其特征在于，所述周期性螺旋光栅为周期性螺纹表面。
10.根据权利要求7所述的基于环形螺旋光纤光栅谐振器的涡旋光束产生装置，其特征在于，所述螺旋光纤光栅为微纳光纤。
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